一种提升高压铸造充型过程CAE分析精度的方法与流程

本发明属于铸造计算机数值模拟技术领域，具体涉及铸造充型过程CAE分析方法。

背景技术：

高压铸造过程由于是在高压、高速下充填型腔，不可避免地把型腔中的空气夹裹在铸件内部，形成皮下气孔。在高压铸造生产中，由充型产生的铸件废品率高达30%以上，造成了人力、物力、成本及时间的极大浪费。

现有的计算机数值模拟技术（CAE）实现了铸造充型及凝固的可视，能够帮助工程师提前预测充型和凝固过程中可能产生的缺陷，并及时采取措施控制缺陷。但由于数值模拟参数的不确定性，使得数值模拟结果与实际结果具有偏差，充型模拟分析精度较低。如果仅仅是将CAE计算结果与铸造结果对标，只能看到冷却后的缺陷现象，而不能了解充型过程中的实时状态，所以难于准确预测像气孔、冷隔、浇不足等充型缺陷，CAE充型模拟分析精度急需提升。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种提升高压铸造充型过程CAE分析精度的方法，将CAE模拟充型结果与高速摄像机所拍摄的充型状态进行对比分析，准确查找出CAE模拟分析中与实际状况不符合的地方，提升高压铸造充型阶段的CAE分析精度，指导高压铸造模具浇注系统的设计。

一种提升高压铸造充型过程CAE分析精度的方法，具体步骤为：

步骤一、用CAE软件模拟铸件的高压充型过程：首先在CAE软件中导入铸件的三维模型和材料属性；再根据实际生产中的工艺设置CAE分析参数，对高压铸造过程进行CAE模拟；

步骤二、应用高压铸造可视化装置拍摄铸件的高压充型过程；

步骤三、将CAE分析结果与实际拍摄结果对比，找出影响CAE分析充型精度的主要因素，修正CAE分析输入参数，提高CAE分析精度；具体为：首先对比CAE分析中的模具温度与实际生产中的模具温度差异，若超过温度差异阈值，则调整CAE中冷却参数，检查模具中的冷却管设置的冷却时间是否与实际生产情况一致；若不一致，则按照实际生产中的冷却时间修正；若冷却时间节拍一致，则进一步确保CAE数据库中的传热系数与实际传热系数一致；

若CAE分析中的模具温度与实际生产中的模具温度差异没有超过温度差异阈值，则对比CAE中充型状态，充型顺序、气泡及夹渣的走向、高气压位置是否与实际拍摄结果中一致；若一致，继续检查三维模型与实际生产中的铸件、模具的匹配精度，结束对比过程；若不一致，检查CAE中设置的充型温度和环境温度，是否与实际的充型温度和环境温度相符，若不符，则修正温度参数，若相符，则进一步结合晶相图及金属液温度条件调整粘度系数及温度-凝固率曲线等物性参数；

每一次铸件的三维模型和材料属性修改后，都需要将CAE分析结果与实际拍摄结果重新对比，直至CAE模拟铸件的高压充型过程与实际充型状况相符，将修改的物性参数保存。

具体地，所述材料属性赋值的部件和材料包括：铸件、模具、砂芯、浇口杯、升液管、压室、冲头、冒口、浇道、内浇道、溢流槽、排气管、冷却管、保温材料。

具体地，温度差异阈值的温差范围设置为±10℃。

本发明将CAE模拟充型过程与高速摄像机所拍摄的充型过程进行对比，准确查找出CAE模拟分析中与实际状况不符合的地方，针对性的分析差异存在的原因，通过修改CAE模拟参数修正数值模拟计算模型，再将修正后的数值模拟计算模型应用于结构复杂的铸件，通过CAE分析准确的预测铸件充型过程可能产生的缺陷，优化模具浇注系统，避免因模具浇注系统设计不当产生困气，卷气，浇不足及氧化夹渣等充型缺陷；对于不能避免的充型缺陷，也能准确的预测其类别及产生部位，从而指导工艺人员采用最准确的方法解决质量问题，缩短新品开发周期，提高产品良品率，节约铸造生产成本。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的CAE模拟高压铸造充型过程图；

图3为本发明的可视化装置拍摄高压铸造充型过程图；

图4为本发明修改CAE模拟参数后的高压铸造充型过程图。

具体实施方式

如图1所示，一种提升高压铸造充型过程CAE分析精度的方法，具体步骤为：

步骤一、用CAE软件模拟铸件的高压充型过程：首先在CAE软件中导入铸件的三维模型和材料属性；再根据实际生产中的工艺设置CAE分析参数，对高压铸造过程进行CAE模拟。材料属性赋值的部件和材料包括：铸件、模具、砂芯、浇口杯、升液管、压室、冲头、冒口、浇道、内浇道、溢流槽、排气管、冷却管、保温材料的属性。

步骤二、应用高压铸造可视化装置拍摄铸件的高压充型过程；

步骤三、将CAE分析结果与实际拍摄结果对比，找出影响CAE分析充型精度的主要因素，修正CAE分析输入参数，提高CAE分析精度；具体为：首先对比CAE分析中的模具温度与实际生产中的模具温度差异，若超过温度差异阈值，则调整CAE中冷却参数，检查模具中各路冷却时间是否与实际生产中的冷却时间一致，若冷却时间不一致，则按照实际生产中的冷却时间修正；若冷却时间节拍一致，则进一步确保CAE数据库中的传热系数与实际传热系数一致；

若CAE分析中的模具温度与实际生产中的模具温度差异没有超过温度差异阈值，温度差异阈值的温差范围设置为±10℃，则对比CAE中充型状态，充型顺序、气泡及夹渣的走向、高气压位置是否与实际拍摄结果中一致；若一致，继续检查三维模型与实际生产中的铸件、模具的匹配精度，结束对比过程；若不一致，检查CAE中设置的充型温度和环境温度，是否与实际的充型温度和环境温度相符，若不符，则修正温度参数，若相符，则进一步结合晶相图及金属液温度条件调整粘度系数及温度-凝固率曲线等物性参数；

每一次铸件的三维模型和材料属性修改后，都需要将CAE分析结果与实际拍摄结果重新对比，直至CAE模拟铸件的高压充型过程与实际充型状况相符，将修改的物性参数保存。

具体分析实例，利用简易铸件模具及可视化装置完成高压铸造铝合金充型过程，铝合金材料为AlSi9Cu3，浇注温度为700℃，充型速度低速0.2m/s，高速2m/s，得到高速摄像机拍摄充型视图，如图3所示。CAE模拟软件采用MAGMA得到模拟结果，如图2所示。

从拍摄视图看出：铝液从浇道分流最先到达中间内浇口，此时铝液开始向左右两侧流动，进入两侧的内浇口，而铝液通过中间内浇口流入铸件到达中心位置后一直停止，直到铝液通过左右内浇口也到达铸件的中心位置后，三股铝液同时向上流动，直到顶部，形成涡流气孔。

示例当中，CAE分析与拍摄视图最大的区别是铝液通过中间内浇口到达铸件中部时并没有停止，而是一直向上流动，率先到达铸件顶部。

原因分析：由于示例铸件的中间浇道长度短于左右两侧浇道，铝液最先通过中间内浇口，铝液在通过中间内浇口向上流动，左右两侧铝液还未通过内浇口时，在重力的作用下，中间铝液的流动速度逐渐减小，由于示例铸件是薄壁件，传热很快，铝液发生部分凝固，使粘度增大，而左右两侧浇道中的铝液此时温度仍较高，粘性系数小，铝液更容易分配到左右两侧副浇道，从而出现铝液通过中间内浇口流入铸件到达中心位置后一直停止，直到铝液通过左右内浇口也到达铸件的中心位置后，三股铝液同时向上流动的现象；然而在CAE模拟中这种流动凝固现象在计算中并没有体现出来，需重新修正CAE模拟中的铝合金的温度-凝固率数据。

将CAE软件数据库中的温度-凝固率曲线在共晶线附近的斜率增大，也就是说随着温度的下降此温度区域内的粘性系数将加大；重新进行CAE模拟得到模拟结果，如图4所示，模拟结果显示铝液通过中间内浇口流入铸件，到达中心位置后停止了，与实际结果比较接近。将此修正的温度-凝固率曲线应用于其他复杂铸件进而提高CAE模拟充型分析精度。